Vad du kan förvänta dig av NASA:s uppskjutning av rymdteleskopet James Webb

På juldagen skänker NASA astronomer en av de största presenterna den kan ge genom att skjuta upp det kraftfullaste rymdteleskopet som någonsin skapats. Kallas James Webb Space Telescope, eller JWST, är rymdobservatoriet tänkt att vara efterträdaren till NASA:s Hubble Space Telescope som redan är i omloppsbana runt jorden. Och det lovar att helt förändra vårt sätt att studera kosmos.

JWST har den största spegeln av ett rymdbundet teleskop som någonsin lanserats och har till uppgift att samla in infrarött ljus från några av de mest avlägsna stjärnorna och galaxerna i universum. Med denna förmåga kommer teleskopet att kunna blicka långt tillbaka i tiden och avbilda några av de tidigaste objekten som har bildats strax efter Big Bang. Utöver det kommer det att reda ut mysterierna med supermassiva svarta hål, avlägsna främmande världar, stjärnexplosioner, mörk materia och mer.

det kommer att reda ut mysterierna med supermassiva svarta hål, avlägsna främmande världar, stjärnexplosioner, mörka materia och mer

NASA har arbetat i nästan tre decennier för att tillverka detta teleskop och få det till startrampen. Nu ska teleskopet äntligen skjutas upp ovanpå en europeisk Ariane 5-raket från Europas primära uppskjutningsplats i Kourou, Franska Guyana i Sydamerika, lördagen den 25 december. Men när teleskopet väl är i rymden är det fortfarande en lång väg kvar att gå. Eftersom JWST är så massiv måste den flyga till rymden hopfälld. Väl i rymden kommer den att genomgå en komplex upprullningsprocess som kommer att ta upp till två veckor att slutföra. Och denna omvända origami måste gå helt rätt för att teleskopet ska fungera korrekt.

Hela tiden kommer JWST att resa till en extra kall plats som ligger 1 miljon miles från jorden, där rymdfarkosten kommer att leva ut sitt liv och samla in så mycket infrarött ljus som möjligt. Det är en extremt komplicerad lansering och uppdrag, med många möjligheter för saker att gå fel på vägen. Men om allt går rätt till kommer världens astronomer att ha ett otroligt kraftfullt verktyg till sitt förfogande under de kommande fem till 10 åren.

Läs vidare för att lära dig mer om en av NASA:s viktigaste uppskjutningar årtiondet.

De imponerande specifikationerna

Det första att veta om JWST är att det är enormt. Teleskopet har en ljussamlande spegel som är mer än 21 fot eller 6,5 meter bred. Som jämförelse är Hubbles spegel strax under 8 fot eller 2,4 meter tvärs över, och den har varit ansvarig för att avbilda några av de mest ikoniska objekt vi någonsin sett i universum. Tack vare sin större spegel kommer JWST att vara mellan 10 och 100 gånger känsligare än Hubble, vilket gör att den kan upptäcka mycket svaga föremål på himlen.

“Du kan typ tänka på en teleskopspegel som en ljus hink,” säger Amber Straughn, biträdande projektforskare för JWST vid NASA:s Goddard Space Flight Center, till The Verge. “Ju större spegeln är, eller ju större hinken, desto mer saker samlar du. Och naturligtvis, i det här fallet, är grejen fotonerljus från det avlägsna universum.”

JWST:s primära spegel som testas på Northrop Grumman Bild: Northrop Grumman

För att montera denna massiva spegel var JWSTs ingenjörer tvungna att bygga den i bitar. Den är gjord av 18 hexagonala segment av lättviktselementet beryllium, var och en ungefär lika stor som ett soffbord. Tillsammans måste segmenten passa nästan perfekt, röra sig så exakt att de är inriktade inom en bråkdel av en våglängd av ljus, vilket är ungefär 1/10 000 av diametern på ett människohår.

“Varje spegel måste matcha de andra speglarna med en mycket liten tolerans så att när de är justerade fungerar de som om de vore en enda spegel, ” Lee Feinberg, chef för optiska teleskopelement för JWST vid NASA Goddard Space Flight Center, säger till The Verge.

“de agerar som om de vore en enda spegel”

En viktig egenskap hos spegeln är att den är belagd med ett guldlager som är cirka 200 gånger tunnare än ett genomsnittligt människohår. Guldet är det som gör att JWST kan se i infrarött – en typ av ljus som är förknippad med några av de mest avlägsna galaxerna och stjärnorna i kosmos. Eftersom universum expanderar, rusar de längst bort från jorden iväg mycket snabbare än objekt som är närmare oss. Ju snabbare de sprintar iväg, desto mer sträcks deras ljus, och flyttas bort från den synliga delen av spektrumet och mot det infraröda. Med sina guldspeglar borde JWST kunna se det infraröda ljuset från galaxer som är upp till 13,6 miljarder ljusår bort från jorden.

Och det är det som gör teleskopet till ett fönster in i det förflutna. Ljus från föremål 13,6 miljarder ljusår bort kommer att ha tagit så många år att nå teleskopets spegel. Eftersom vi tror att universum är ungefär 13,8 miljarder år gammalt, betyder det att dessa föremål var omkring bara 100 till 250 miljoner år efter Big Bang.

Att observera i infraröd är dock otroligt tufft. Infrarött ljus är förknippat med värme, som avges av allt med en temperatur över absolut noll. JWST kan inte leva i vår planets omloppsbana eller någonstans på marken; värmen från jorden och dess atmosfär skulle störa observationerna. Även själva teleskopet måste vara extra kallt så att det inte producerar för mycket värme och kastar av sig sina egna observationer. Det är därför JWST skickas till en plats 1 miljon miles från vår värld, känd som en lagrangepunkt mellan jorden och solen, där tyngdkraften och centrifugalkrafterna är precis rätt för teleskopet att förbli i en stabil bana. Vid denna Lagrange-punkt kommer JWST att hålla sig på ungefär samma avstånd och position från jorden hela tiden.

Även på detta avlägsna avstånd är värme från solen fortfarande ett problem. För att hålla sig extra sval är JWST utrustad med en så kallad solsköld. Den består av fem ultratunna lager av ett material som kallas Kapton, vart och ett lika stort som en tennisbana staplade ovanpå varandra. Det yttersta lagret kommer alltid att vända sig mot solen och reflektera det mesta av dess värme, som arbetar vid brännande 230 grader Fahrenheit. Men varje efterföljande lager kommer att bli svalare och svalare så att JWST:s instrument förblir trevliga och kryogena och fungerar vid ungefär minus 370 grader Fahrenheit.

A Troubled History

JWST:s resa till startrampen har varit lång och ojämn. Efter år av diskussion om hur nästa stora rymdteleskop efter Hubble skulle se ut, rekommenderade astronomer vid Space Telescope Science Institute 1996 formellt att NASA skulle bygga ett nytt infrarött rymdteleskop med en spegel på 4 meter bred. Men NASA:s administratör vid den tiden, Dan Goldin, beslutade att 4 meter inte var tillräckligt stort och uppmanade uppdragsdesigner att öka storleken till mer än 8 meter.

Detta beslut gjorde byggandet av rymdfarkosten mycket mer komplicerat. Den massiva spegeln innebar att JWST var tvungen att skjuta upp hopfälld eftersom ingen tillgänglig raket var tillräckligt stor för att hysa rymdfarkosten i dess slutliga konfiguration. Och sanningen var att tekniken som behövdes för att göra teleskopet till verklighet – såsom systemet och mekaniken som behövs för att perfekt rikta in dessa speglar – behövde fortfarande uppfinnas.

“Nästa snubbla var att det är mycket dyrare än vi trodde”, säger Thomas Zurbuchen, biträdande administratör för Science Mission Directorate vid NASA, till The Verge.

” det är mycket dyrare än vi trodde”

Inledningsvis hoppades astronomer att lansera JWST någon gång mellan 2007 och 2011, för en beräknad kostnad på allt från 1 miljard dollar till 3,5 miljarder dollar. Men under decennierna fortsatte JWST:s kostnader att växa, samtidigt som lanseringsdatumet flyttades fram och tillbaka. Så småningom föreslog lagstiftare att avbryta projektet helt och hållet över den snörika budgeten. NASA gjorde sedan en fullständig omplanering av uppdraget 2011, och kongressen gick med på att fortsätta att finansiera projektet samtidigt som man satte ett budgettak på teleskopets totala livslängd på 8,8 miljarder dollar. Ett nytt lanseringsdatum sattes till 2018.

Men kostnaderna fortsatte att öka samtidigt som utvecklingen avstannade. Under tiden, när ingenjörer började sätta ihop teleskopet och testa det för att göra sig redo för rymden, fanns det alla möjliga problem. Medan teleskopet befann sig vid Northrop Grumman, huvudentreprenören för rymdfarkosten, tycks skruvar och brickor lossna från fordonet vid ett tillfälle, ingenjörer hittade revor i solskyddet och någon applicerade överdriven spänning under ett test, för att bara nämna några fel. Så småningom, 2018, NASA bestämde sig för en slutlig kostnad för programmet: hela 9,7 miljarder dollar för att täcka både utveckling och rymdfarkostens verksamhet i rymden. Byrån medgav också att den inte skulle lanseras det året.

Nya kontroverser uppstod om JWST under teleskopets sista sträcka. Tidigare i år tog en grupp astronomer upp oro över teleskopets namne James Webb, en NASA-administratör under Apollo-programmet som övervakade USA:s ambitiösa plan för att sätta människor på månen. I en artikel publicerad i Scientific American uppmanade tre astronomer NASA att byta namn på teleskopet, med hänvisning till det faktum att Webb var en högt uppsatt tjänsteman i Truman-administrationen under Lavender Scare – när HBTQ-individer blev måltavla och utrensades från den federala arbetsstyrkan . Till slut beslutade NASA att inte byta namn på teleskopet efter att ha gjort sin egen interna undersökning och hävdat att det inte kunde hitta bevis för att Webb hade varit inblandad. Utredningen fick dock kritik för att den inte gick tillräckligt djupt.

”Det finns inga misstag som är små på Webb som får små konsekvenser. Du måste vara nära perfektion.”

Med sitt kontroversiella namn fortfarande intakt, skickades JWST äntligen till sin lanseringsplats i Franska Guyana i oktober. När det gäller varumärke upphörde inte dess elände när den kom till Sydamerika. Teleskopets uppskjutning var ursprungligen inställd på den 18 december men försenades två gånger på grund av ett par missöden, inklusive ett trasigt klämband som skickade oväntade vibrationer genom teleskopet och ett oförutsett kommunikationsproblem mellan raketen och dess marksystem. Klämproblemet löstes, men det senare pågår fortfarande – även om NASA hävdar att det inte borde vara ett problem för uppskjutning.

Som Zurbuchen förklarar måste alla försiktighetsåtgärder vidtas när ett problem uppstår. uppstår, hur litet problem det än kan verka. Rymdfarkosten har tagit så lång tid och kostat så mycket att bygga att allt måste gå rätt till. Annars är risken ett teleskop på 10 miljarder dollar som är dött i rymden.

“Små misstag… de allra flesta av dem har små konsekvenser”, säger Zurbuchen. ”Det finns inga misstag som är små på Webb som får små konsekvenser. Du måste vara nära perfektion.”

Lanseringen är bara början

Från och med nu kommer JWST att lanseras den 25 december kl. 7:20 ET. Dess resa till rymden, Ariane 5-raketen, har varit Europas främsta raket under ungefär de senaste två decennierna. Förutom att vara en mycket kapabel raket med ett starkt uppskjutningsrekord, tar valet av Ariane 5 även NASA:s europeiska partner in i vad som anses vara ett verkligt globalt uppdrag.

Själva uppskjutningen bör hålla i sig. ungefär 26 minuter innan JWST separerar från Ariane 5-raketen. Även om det alltid är riskabelt att raketera till rymden, finns det mer oro att komma när JWST faktiskt är fri från Ariane 5. “Lanseringen är egentligen bara början”, säger Straughn.

“Lanseringen är egentligen bara början.”

Om allt går bra med JWSTs start, är det då “29 dagar på kanten” – en term myntad av NASA – börjar. Det är en olycksbådande fras för att beskriva teleskopets komplicerade upprullningsprocess. När den väl är befriad från raketen och på väg till sin destination 1 miljon miles från jorden kommer rymdfarkosten sakta att vecklas ut och blomma ut som en mekanisk blomma.

Det första JWST måste göra direkt efter uppskjutningen är att använda sin solpanel för att börja samla energi från solen som behövs för att driva hela rymdfarkosten. Under nästa dag i rymden kommer den att använda sin högförstärkningsantenn som behövs för att kommunicera med jorden. Efter det börjar den riktigt vilda omvända origamin. JWST kommer att ändra sin form och börja använda sitt känsliga solskydd, en process som kommer att pågå i flera dagar. Om det går bra, kommer teleskopet att distribuera sin primära spegel fullt ut.

Även när upprullningen är klar efter ungefär två veckor kommer JWST inte att vara på sin slutdestination – det har fortfarande veckor kvar. Lite mindre än en månad efter lanseringen kommer teleskopet att avfyra sina inbyggda thrusters för att sätta sig i sin slutliga position vid den avsedda Lagrange-punkten.

Onödigt att säga att många astronomer, ingenjörer och forskare inte kommer att få mycket vila förrän det hela är över. Och det finns många tillfällen då en trasig remskiva eller ett klibbigt manöverdon kan äventyra hela uppdragets framtid.

Men om allt går rätt till kommer NASA snart att ha några otroligt skarpa ögon i skyn. Teleskopet kommer att behöva ägna lite tid åt att kyla ner när det når sin slutliga omloppsbana, och sedan kommer ingenjörer att behöva några månader för att testa alla instrument för att se om de fungerar som de ska. Men JWST kan ta sina allra första hisnande bilder redan i sommar. För astronomer kommer väntan vara väl värt det.

“Jag tror verkligen att det här teleskopet kommer att förändra astrofysiken”, säger Straughn. “Jag tror att vi kommer att lära oss saker om universum som helt överraskar oss, och det är en av de mest spännande utsikterna varje gång vi sätter ett stort, djärvt teleskop som detta ut i rymden. Vi lär oss saker som vi aldrig förväntat oss.”